軟黏土地區(qū)超高層建筑共同作用體系時變沉降分析及監(jiān)測

趙　昕　袁聚云　劉射洪,*

(1.同濟大學建筑工程系,上海 200092;2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092;

3.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092;4.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海 200092)

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軟黏土地區(qū)超高層建筑共同作用體系時變沉降分析及監(jiān)測

趙昕1,2袁聚云3,4劉射洪3,4,*

(1.同濟大學建筑工程系,上海 200092;2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092;

3.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092;4.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室,上海 200092)

摘要在進行軟黏土地區(qū)超高層建筑共同作用體系時變性能分析與設計時,地基基礎沉降變形的時變性分析至關重要。從地基基礎沉降變形的機理出發(fā),考慮材料、結構及荷載的時變性,對軟黏土地區(qū)的地基基礎沉降變形的時變性規(guī)律進行分析,并簡要闡述了共同作用時變效應分析方法的基本原理和應用步驟。另外,以上海中心大廈為例,采用數(shù)值計算方法及分步加載形式,分析其時變沉降,并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,驗證了計算結果的合理性及準確性。結果表明,結構封頂時沉降量約占最終沉降量的65%左右;竣工后3年,沉降量占最終沉降量的95%以上;竣工后10~15年,沉降才基本穩(wěn)定;最終最大差異沉降達30~40 mm;并將時變沉降等效為樁土彈簧剛度,其可用于地基-基礎-上部結構共同作用分析,從而驗證了共同作用時變效應分析方法的實際操作性。

關鍵詞超高層建筑, 共同作用, 地基基礎, 時變沉降, 監(jiān)測

Time-dependent Settlement Analysis and Monitoring in the IntegratedSoil-foundation-structure System of Super High-riseBuildings in Soft Clay

ZHAO Xin1,2YUAN Juyun3,4LIU Shehong3,4,*

(1.Department of Structural Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;

2.Tongji Architectural Design (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China;

3.Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;

4.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the

Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China)

AbstractIn the time-dependent performance analysis and design of integrated soil-foundation- structure (SFS) system for super high-rise buildings in soft clay, the time-dependent foundation settlement analysis is crucial. By considering the mechanism of foundation settlement and the properties of time-dependent materials, time-dependent structures and time-dependent loads, this paper analyzed the time-dependent features of foundation settlement in soft clay. Meanwhile, this paper briefly illustrated the fundamental and application steps of time-dependent interaction analysis method. Besides, by using numerical calculation and stepped loading method, this paper calculated the time-dependent settlement of Shanghai Tower, and compared them with the monitoring data. The comparison results verified the reasonableness and accuracy of the calculation results. The results showed that the settlement when the structure roof is sealed accounts for about 65% of the final settlement. The settlement when 3 years after completion accounts for more than 95% of the final settlement. About 10 years to 15 years after completion, the settlement is basically stable. The final maximum difference settlement is up to 30~40mm. The time-dependent settlement can be equivalent to pile-soil spring stiffness, which can be used to analyze the interaction effect of integrated SFS system. Therefore, the time-dependent interaction analysis method has practical operability.

Keywordssuper high-rise buildings, interaction, foundation, time-dependent settlement, monitoring

1引言

超高層建筑地基-基礎-上部結構共同作用體系[1]是一個復雜的受力變形系統(tǒng),其涉及諸如結構物形式和荷載大小、樁筏基礎形式和幾何參數(shù)、地基土的性質分布等諸多因素。在超高層建筑結構與地基基礎共同作用過程中,材料、結構及荷載均是時變的。因此,將超高層建筑地基-基礎-上部結構共同作用體系作為一個整體進行分析研究,是一個十分復雜的問題。

隨著超高層建筑的大量興建及計算機技術的迅速發(fā)展,考慮時間效應的共同作用研究也有了較大進展,并已越來越受到工程界的重視。近幾年,王建華[2]、崔春義[3]等綜合考慮地基固結和流變特性的耦合效應,將考慮時間效應的共同作用研究推進了新的時期。同時,也有很多學者試圖通過結構動力學、土動力學等理論來闡釋地基-基礎-上部結構共同作用體系的受力變形機理,以研究三者的相互影響[4-7]。

但是,上述研究不是局限于只考慮地基沉降的時變性規(guī)律,就是局限于只考慮上部結構的時變性規(guī)律,且研究對象涉及超高層建筑的較少,沒有對超高層建筑地基-基礎-上部結構共同作用體系進行完整、系統(tǒng)的時變作用耦合效應分析[8]。因此,積極研究探討地基-基礎-上部結構共同作用體系時變性能分析與設計,對合理分析設計超高層建筑和節(jié)約工程造價具有重要意義。

在進行軟黏土地區(qū)超高層建筑共同作用體系時變性能分析與設計時,地基基礎沉降變形的時變性分析至關重要。早在20世紀初,Terzaghi等就建立了經典的地基沉降分析法,此后又有很多人為該方法的改進和完善做出了貢獻。20世紀70年代,隨著計算機技術的發(fā)展,采用有限元分析法計算地基沉降成為可能。但是,地基沉降計算從來就是地基基礎工程中的三大難題之一,至今還沒有完全解決[9]。

一般建筑物沉降變形按其發(fā)生的先后分為初始(瞬時)沉降、固結沉降和次固結沉降,因此地基沉降與時間密切相關。但目前,大多沉降計算方法均以彈性理論解為基礎,再結合工程實踐經驗系數(shù),只能計算地基的最終沉降量,較少考慮沉降變形的時變性。另一方面,地基-基礎-上部結構共同作用體系的時變作用是相互耦合的,其計算是一個相互迭代,直至收斂的復雜過程。

基于以上問題的復雜性,實時的健康監(jiān)測成為了分析設計大型建筑結構的不可或缺的方法之一[10]。尤其對于基礎、基坑等地下建筑與巖土工程,信息化施工已成為控制安全質量的必要措施,其中地基基礎沉降變形監(jiān)測是信息化施工中最基本的監(jiān)測內容之一。

因此,本文從地基基礎沉降變形的機理出發(fā),考慮材料、結構及荷載的時變性,對軟黏土地區(qū)的地基基礎沉降變形的時變性規(guī)律進行分析,并簡要闡述了共同作用時變效應分析方法的基本原理和應用步驟。另外,本文以上海中心大廈為例,采用數(shù)值計算方法及分步加載形式,分析其時變沉降,并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,以驗證計算結果的合理性及準確性,旨在為類似工程提供參考和借鑒。

2共同作用體系時變性分析

2.1　時變性規(guī)律

超高層建筑共同作用體系時變性規(guī)律包括地基沉降的時變性規(guī)律和上部結構的時變性規(guī)律,并都與三個因素有關,即材料時變性、結構時變性和荷載時變性。

具有時變性的材料主要包括混凝土材料和土體?；炷恋目箟簭姸群蛷椥阅Ａ颗c環(huán)境條件、養(yǎng)護條件及施工條件等因素有關,并隨時間變化。而土體作為一種特殊的三相介質材料,其時變性規(guī)律也是眾所周知、無可非議的。對于超高層建筑,混凝土材料的時變性,主要體現(xiàn)在巨柱與核心筒的豎向差異變形上,此部分內容在文獻[10]中有詳細論述。具體處理時,采用B3模型、纖維模型等計算豎向差異變形,再將變形作用施加到結構模型計算內力,再用內力計算變形,如此反復,直至收斂。而土體的時變性,主要體現(xiàn)在固結流變特性上,本文中直接采用通用巖土工程有限元程序進行考慮。

結構的時變性主要是指建筑物從開始施工到最后完成并且投入使用的過程中,結構的幾何形態(tài)及剛度都是隨時間不斷變化的,即所謂的時變結構。在實際工程中,常通過施工模擬加載的方式來考慮結構時變性對結構內力的影響。目前,大多數(shù)通用有限元程序均可實現(xiàn)施工模擬加載。

荷載的時變性是指施工階段和正常使用階段豎向荷載、水平荷載以及非荷載作用的時變性。荷載時變性往往與材料時變性、結構時變性密切相關,尤其是豎向荷載和非荷載作用。由于混凝土材料的收縮徐變、土體的固結流變和結構的逐漸形成,荷載作用也隨之變化。因此,荷載時變性可通過豎向差異變形計算、沉降計算、施工模擬加載等考慮。

2.2　共同作用時變效應分析方法

超高層建筑共同作用體系時變作用是相互耦合的,材料時變性、結構時變性和荷載時變性均是相互影響的,其計算是一個相互迭代,直至收斂的復雜過程。

在目前超高層建筑樁筏基礎的共同作用分析方法中,一般是采取有限單元法將上部結構(含地下室)、筏板基礎、樁土三者進行整體建模。為減少節(jié)點數(shù)量,使求解方便,常將樁土對筏板的作用等效為作用在樁頂處的豎向點彈簧(圖1),其共同作用基本方程可表示為

(1)

式中,ku為上部結構剛度矩陣;kb為地下室剛度矩陣;kr為筏板基礎剛度矩陣;kps為彈簧剛度矩陣,代表整個樁土體系的等效剛度;U為節(jié)點位移向量;P為荷載向量。

圖1所示的樁土彈簧模型,概念清晰、操作簡單,只需在傳統(tǒng)的結構計算模型中增加筏板和彈簧單元,即可實現(xiàn)共同作用分析。但其中樁土彈簧剛度取值至關重要,其值可按照預估平均沉降量計算方法、群樁中單樁P-S曲線法、靜載試驗Q-S曲線法、變基床系數(shù)迭代法或經驗方法確定[11]。

圖1　樁土彈簧單元示意圖Fig.1　Pile-soil spring unit

但是,上述模型并未考慮樁土彈簧剛度的時變性,也未考慮上部結構的材料、剛度、荷載等時變性?；诖?本文提出時變共同作用的概念,闡述一種共同作用時變效應分析方法,以時變樁土彈簧和施工模擬加載相結合的形式,反映共同作用體系時變效應。

共同作用時變效應分析方法基本原理如圖2所示,在超高層建筑全生命周期中,隨著地基沉降的增大,樁土彈簧剛度是不斷變化的,同時在此過程中,上部結構的材料、剛度、荷載均是時變的。因此,共同作用時變效應分析方法既可以考慮地基沉降的時變性,又可以考慮上部結構的時變性,同時通過整體建模分析,可以較為準確地計算上部結構、基礎和地基的內力,從而提高設計水平。

圖2　共同作用時變效應分析方法基本原理Fig.2　Fundamental of time-dependentinteraction analysis method

具體應用時,限于計算條件和節(jié)約計算時間,有必要對樁土彈簧剛度取值和上部結構施工模擬加載進行簡化處理。

首先,樁土彈簧剛度計算采用變基床系數(shù)迭代法。但其涉及沉降計算與內力分析的迭代過程,計算較為復雜。其解決方法是盡量簡化迭代過程,這樣雖然時變沉降和時變樁土彈簧剛度均為近似值,但是可以大大減少工作量,具有實際操作性。

其次,上部結構施工模擬加載時常需減少加載次數(shù),即對結構的幾何形態(tài)、剛度及豎向荷載的時變性進行簡化處理。同時,這里僅部分考慮了上部結構的時變性,并未考慮水平荷載及溫度作用等的時變性。

再者,將上部結構收縮徐變作用單獨計算,然后將上部結構豎向差異變形以溫度等效形式反映到結構模型中,進行共同作用分析。當然,上部結構豎向差異變形是時變的,其變形作用在施加過程中也應當是按施工步分級加載的。

最后,將時變樁土彈簧和時變豎向差異變形作用分步施加到有限元模型中,并運行施工模擬加載非線性分析,從而實現(xiàn)時變共同作用計算。

在上述方法步驟中,時變沉降分析是第一步,然后以時間切片的形式等效為不同時間節(jié)點的樁土彈簧剛度,從而得到樁土彈簧剛度時變值。因此,本文重點進行時變沉降分析,并嘗試將其等效為樁土彈簧剛度,從而驗證共同作用時變效應分析方法的實際操作性。

3工程算例

3.1　工程概況

本文分析所采用的工程算例為正在建造的上海中心大廈。上海中心大廈地處7度抗震設防烈度區(qū),所在場地土質條件為Ⅳ類。該項目整個基地面積約30 368 m2,總建筑面積約為520 000 m2,其中地上建筑面積約380 000 m2。整個場地下設5層地下室,基礎埋深約為30 m。塔樓下筏板厚度6 m,筏板面積8 945 m2。本工程樁基采用鉆孔灌注樁(后注漿),混凝土強度等級C50,持力層取9—21層粉砂,樁總數(shù)955根,樁徑1 m,相鄰樁距3 m,采用空間變剛度布樁。根據(jù)布樁方式不同,整個塔樓筏板可分為四個區(qū)域:A、C區(qū)采用梅花布樁,B、D區(qū)采用矩形布樁(圖3);A區(qū)有效樁長56 m,單樁承載力特征值為11 000 kN,B、C、D區(qū)有效樁長52 m,單樁承載力特征值為11 000 kN。

3.2　施工模擬加載

上部結構施工模擬加載設置10步,每區(qū)設置為一施工步,每級施工步時間假定150天。整體模型施工模擬加載采用通用有限元程序實現(xiàn)。為便于計算且不失代表性,選取取一榀巨柱-伸臂-剪力墻作為研究對象(圖4),根據(jù)施工模擬結果只提取該部分在各個施工階段下的內力。由于本文擬采用通用巖土工程有限元程序分析時變沉降,因此只需提取上述一榀結構底部的豎向軸力即可,再將該分級軸力施加到圖5所示的地基基礎模型進行時變沉降分析。

圖3　塔樓筏板樁位布置圖(單位:mm)Fig.3　Pile raft layout of tower(Unit:mm)

圖4　典型構件選取Fig.4　Selection of the typical members

圖5　地基基礎模型示意圖Fig.5　Schematic diagram of foundation model

理論上講,上述計算得到的時變沉降又會反過來影響各個施工階段下的內力,因此這是個比較復雜的迭代過程。限于計算條件,本算例未考慮上部結構施工模擬加載過程中沉降與內力的反復迭代,僅取完成一次施工模擬加載的巨柱、核心筒豎向軸力作為地基基礎模型的荷載,用于分析地基基礎沉降變形的時變性規(guī)律。由于目前通用有限元程序施工模擬加載分析較為成熟,在不考慮沉降與內力的反復迭代后,計算荷載提取較為簡單,如表1所示。

表1巨柱和核心筒豎向軸力

Table 1　Vertical axis force of megacolumn and central service core

3.3　沉降分析模型

本文沉降分析擬采用通用巖土工程有限元程序,模型如圖5所示。為簡化起見,模型只考慮筏板底面以下土層的變形,由于筏板埋深30 m,因此模型表面施加600 kPa的預壓荷載,以模擬土層自重固結。

沉降分析模型中,土層參數(shù)見表2,其值根據(jù)地勘報告確定。建模時土體采用常用的摩爾庫倫本構模型,筏板及樁采用板單元。

基坑開挖過程中,通過卸載形式進行模擬,其會導致地基回彈隆起,如圖6所示。然后將表1中的分級荷載施加到沉降分析模型中,進行時變沉降分析。最終地基基礎沉降變形云圖如圖7所示。

3.4　時變沉降分析

選取如圖5所示的三個點,繪制成地基基礎沉降變形-時間關系圖,如圖8(a)所示。而圖4所示一榀結構的沉降見圖9(a)。同時,由于結構及荷載的對稱性,可將圖4所示一榀結構的沉降應用于整體模型,近似得到整個塔樓的沉降變形,如圖10所示。圖8(a)的計算結果顯示,結構封頂時沉降量約占最終沉降量的65%;竣工后3年,沉降量占最終沉降量的95%以上;竣工后10~15年,沉降才基本穩(wěn)定。這表明,對于軟黏土地區(qū)的超高層建筑,地基初始沉降、固結沉降和次固結沉降均不可忽略。

圖6　基坑開挖導致地基回彈隆起Fig.6　Rebound of foundation leading by excavation

圖7　地基基礎沉降變形云圖Fig.7　Deformation nephogram of foundation

圖8　地基基礎沉降變形-時間曲線圖Fig.8　Settlement-time curve of foundation

表2地質資料

Table 2　Geological data

注:為便于建模,表中土層厚度均取整數(shù)。

圖9(a)、圖10表明,塔樓沉降呈“鍋形”分布,且隨著時間的推移,“鍋形”越來越明顯,最終最大差異沉降達30~40 mm。該結論與以往工程經驗相符,從而進一步表明,樁筏基礎并非剛性體而是彈性體,應當按照彈性體理論和方法進行分析和設計。

3.5　時變沉降監(jiān)測

為了驗證計算結果的合理性及準確性,本文選取了上海中心大廈實際的筏板沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),進行二者對比。本文選取的沉降監(jiān)測點布置如圖11所示,其中,3號測點、16號測點和24號測點分別與圖5中的A、B、C點對應。將監(jiān)測數(shù)據(jù)整理繪制成沉降-時間曲線圖,如圖8(b)所示。而圖4所示一榀結構的沉降監(jiān)測值見圖9(b)。

圖8(a)與圖8(b)、圖9(a)與圖9(b)的對比結果顯示,本文的理論計算值與實測結果基本吻合,從而驗證了計算結果的準確性。值得一提的是,在500 d左右時,地基沉降有所回彈,這主要是由于此時地基停止降水,水浮力增大;同時,裙房逆作法開始施工,裙房基坑逐漸開挖,導致塔樓范圍地基回彈。

3.6　彈簧剛度取值

根據(jù)上述計算結果,以時間切片的形式等效為不同時間節(jié)點的樁土彈簧剛度,以反映到上部結構模型,用于進行地基-基礎-上部結構的共同作用分析。同時,為避免出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,樁土彈簧剛度需按區(qū)域進行均勻化處理。

圖9　筏板沉降-時間曲線圖Fig.9　Settlement-time curve of raft

圖10　筏板沉降分布圖(單位:mm)Fig.10　Settlement distribution of raft(Unit:mm)

圖11　筏板沉降監(jiān)測點布置圖Fig.11　Settlement monitoring point layout of raft

樁土彈簧剛度時變值取值如表3所示,其變化趨勢如圖12所示。從圖12可以看出,在第3施工步時,樁土彈簧剛度增大。正如前面所述,該階段由于地基停止降水,水浮力增大;同時,裙房逆作法開始施工,裙房基坑逐漸開挖,導致塔樓范圍地基回彈,沉降減小而樁土彈簧剛度增大。除此之外的其他階段,彈簧剛度趨勢平緩,最終沉降穩(wěn)定時,各區(qū)域彈簧剛度趨于相等。

4結論

本文從地基基礎沉降變形的機理出發(fā),考慮材料、結構及荷載的時變性,對軟黏土地區(qū)的地基基礎沉降變形的時變性規(guī)律進行分析,并簡要闡述了共同作用時變效應分析方法的基本原理和應用步驟。另外,本文以上海中心大廈為例,采用數(shù)值計算方法及分步加載形式,分析其時變沉降,并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,主要得到以下結論:

圖12　樁土彈簧剛度變化圖Fig.12　Changing trend of pile-soil spring

表3彈簧剛度時變值

Table 3　Time-dependentstiffness ofpile-soil spring　kN/mm

(1)軟黏土地區(qū)的超高層建筑,地基初始沉降、固結沉降和次固結沉降均不可忽略。一般而言,結構封頂時沉降量約占最終沉降量的65%左右;竣工后3年,沉降量占最終沉降量的95%以上;竣工后10~15年,沉降才基本穩(wěn)定。

(2)超高層建筑塔樓沉降呈“鍋形”分布,且隨著時間的推移,“鍋形”越來越明顯,最終最大差異沉降達30~40 mm。該結論與以往工程經驗相符,從而進一步表明,樁筏基礎并非剛性體,而是彈性體,應當按照彈性體理論和方法進行分析和設計。

(3)通過將理論計算值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比分析,結果表明,本文的理論計算值與實測結果基本吻合,從而驗證了計算結果的準確性。

(4)將時變沉降以時間切片的形式等效為不同時間節(jié)點的樁土彈簧剛度,以反映到上部結構模型,用于地基-基礎-上部結構共同作用分析的方法是可行的,即本文提出的時變共同作用概念是具有實際操作性的。該結論可為類似工程提供參考和借鑒。

致謝本文受到了上海市優(yōu)秀技術帶頭人計劃(14XD1423900)和上海市科技攻關計劃(09dz1207704)資助,在此致以衷心的感謝！

參考文獻

[1]費勤發(fā),張問清,趙錫宏.上部結構-箱形基礎-樁-地基土共同作用探討[J].結構工程師,1988,3:17-22.

Fei Qinfa,Zhang Wenqing,Zhao Xihong.Interaction study of superstructure-box foundation-pile-soil system [J].Structural Engineers,1988,3:17-22.(in Chinese)

[2]王建華,陳錦劍,裴捷.考慮固結與流變的層狀粘彈性地基與上部結構的共同作用[J].建筑結構學報,2002,23(4):59-64.

Wang Jianhua,Chen Jinjian,Pei Jie.Interaction between superstructure and layered visco-elastic foundation considering consolidation and rheology of soil[J].Journal of Building Structures,2002,23(4):59-64.(in Chinese)

[3]崔春義.樁-筏基礎共同作用體系的時間效應數(shù)值分析與研究[D].大連:大連理工大學,2007.

Cui Chunyi.A numerical study on time-dependent behavior of interaction system of piles and raft[D].Dalian:Dalian University of Technology,2007.(in Chinese)

[4]Lou M,Wang H,Chen X,et al.Structure-soil-structure interaction:literature review[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2011,31(12):1724-1731.

[5]Kausel E.Early history of soil-structure interaction[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2010,30(9):822-832.

[6]Dutta S C,Roy R.A critical review on idealization and modeling for interaction among soil-foundation-structure system[J].Computers and Structures,2002,80(20):1579-1594.

[7]Wu W,Wang K,Zhang Z,et al.A new approach for time effect analysis of settlement for single pile based on virtual soil-pile model[J].Journal of Central South University,2012,19(9):2656-2662.

[8]郁冰泉.超高層建筑結構時變作用耦合效應研究[D].上海:同濟大學,2013.

Yu Bingquan.Coupling effects of time-dependent actions for super tall building structures[D].Shanghai:Tongji University,2013.(in Chinese)

[9]陳祥福.沉降計算理論及工程實例[M].北京:科學出版社,2005.

Chen Xiangfu.Settlement calculation theory and application[M].Beijing:Science Press,2005.(in Chinese)

[10]姜世鑫.基于纖維模型的超高層建筑巨型組合構件時變效應分析與設計[D].上海:同濟大學,2014.

Jiang Shixin.Fiber model based time-dependent effect analysis and design for mega SRC members of super tall buildings[D].Shanghai:Tongji University,2014.(in Chinese)

[11]雷小虎,巢斯.豎向荷載作用下地基彈簧剛度對超高層建筑樁筏基礎筏板的影響[J].結構工程師,2011,27(1):55-60.

Lei Xiaohu,Chao Si.Effect of stiffness of ground springs on the plate of piled-raft foundations of super high-rise buildings under vertical loads[J].Structural Engineers,2011,27(1):55-60.(in Chinese)

基金項目：上海市優(yōu)秀技術帶頭人計劃(14XD1423900);上海市科技攻關計劃(09dz1207704)

收稿日期：2014-10-25

*聯(lián)系作者， Email:lsh19910915@163.com